EP1427917A1 - Hydraulisch gesteuerter aktuator zur betätigung eines ventils - Google Patents

Abstract

Es wird ein hydraulisch gesteuerter Aktuator (16) zur Betätigung eines Ventils (10), insbesondere eines Gaswechselventils (10) in einem Verbrennungszylinder (11) einer Brennkraftmaschine angegeben, der zwei fluidgefüllte Druckkammern (21, 22) mit steuerbarem Kammervolumen und einen die Druckkammern (21, 22) mit voneinander abgekehrten Kolbenseiten begrenzenden, verschließbaren Stellkolben (18) aufweist, der auf das Ventil (10) wirkt und eine zum Schließen des Ventils (10) vom Fluiddruck in den Druckkammern (21, 22) beaufschlagte schließende Wirkfläche und eine zum Öffnen des Ventils (10) vom Fluiddruck beaufschlagte öffnende Wirkfläche aufweist. Zwecks Beeinflussung der Kinematik der Öffnungs- und Schliessbewegung des Ventils (10) ist der Stellkolben (18) derart ausgebildet, dass die Flächengrösse mindestens einer der beiden Wirkflächen sich längs des Verschiebewegs des Stellkolbens (18) ändert.

Description

Hydraulisch gesteuerter Aktuator zur Betätigung eines Ventils

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem hydraulisch gesteuerten Aktuator zur Betätigung eines Ventils, insbesondere eines Gaswechselventils in einem Verbrennungszylinder einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche hydraulisch gesteuerten Aktuatoren finden in Vorrichtungen zur elektrohydraulischea Ventilsteuerung der Ein- und Auslaßventile in Verbrennungszylindern von Brennkraftmaschinen Anwendung, wobei jeweils ein Aktuator einem als Ein- oder als Auslaßventil eingesetzten Gaswechselventil zugeordnet ist.

Bei einer bekannten Vorrichtung zur Steuerung eines Gaswechselventils (DE 198 26 047 AI) ist der mit dem Ventilstößel des Gaswechselventils verbundene Stellkolben in einem Arbeitszylinder axial verschieblich geführt und begrenzt mit seinen beiden voneinander abgekehrten Stirnseiten die beiden im Arbeitszylinder ausgebildeten Druckkammern . Während die eine erste Druckkammer, über welche eine Kolbenverschiebung in Richtung Ventilschließen bewirkt wird, ständig mit unter Druck stehendem Fluid beaufschlagt ist, wird die andere zweite Druckkammer, über welche eine Kolbenverschiebung in Richtung Ventilöffnen bewirkt wird, mit Hilfe von Magnetventilen gezielt mit unter Druck stehendem Fluid beaufschlagt oder wieder auf annähernd Umgebungsdruck entlastet . Das unter Druck stehende Fluid wird von einer geregelten Druckversorgung geliefert . Von den als 2/2- egeventile ausgeführten Magnetventilen verbindet ein erstes Magnetventil die zweite Druckkammer mit der Druckversorgung und ein zweites Magnetventil die zweite Druckkammer mit einer Entlastungsleitung . Im Schließzustand des Gaswechselventils ist die zweite Druckkammer durch das geschlossene erste Magnetventil von der Druckversorgung getrennt und durch das geöffnete zweite Magnetventil mit der Entlastungsleitung verbunden, so daß der Stellkolben durch den in der ersten Druckkammer herrschenden Fluiddruck in seine Schließstellung überführt ist . Zum Öffnen des Gaswechselventils werden beide Magnetventile bestromt . Durch die umschaltenden Magnetventile wird die zweite Druckkammer von der Entlastungsleitung abgesperrt und an die Druckversorgung angeschlossen . Das Gaswechselventil öffnet , wobei die Größe des Öffnungshubs von der Ausbildung des an das erste Magnetventil angelegten elektrischen Steuersignals und die Öffnungsgeschwindigkeit von dem von der Druckversorgung eingesteuerten Fluiddruck abhängt . Um das Gaswechselventil in einer bestimmten Offenstellung zu halten, wird das erste Magnetventil anschließend stromlos geschaltet , so daß es die zweite Druckkammer wieder von der Stromversorgung trennt . Zürn Schließen des Gaswechselventils wird das zweite Magnetventil stromlos geschaltet. Dadurch liegt die zweite Druckkammer an der Entlastungsleitung, und der in der ersten Druckkammer herrschende Fluiddruck führt den Stellkolben in dessen Ventilschließstellung zurück, so daß von dem Stellkolben das Ventil geschlossen wird. Auf diese Weise lassen sich mittels eines elektrischen Steuergeräts zur Steuersignalerzeugung für die Magnetventile sämtliche gewünschten Ventilöffnungspositionen des Gaswechselventils einstellen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße, hydraulisch gesteuerte Aktuator zur Betätigung eines Ventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch eine definierte Änderung der öffnenden und/oder schließenden Wirkfläche des Stellkolbens in Abhängigkeit von dessen Verschiebeweg die Kinematik der Offnungs- und/oder Schließbewegung des Ventils in weiten Grenzen sehr genau beeinflußt werden kann. So kann beim Öffnungsvorgang des Ventils zunächst eine hohe Verstellkraft auf das Ventil für einen Bruchteil des Gesamthubs des Ventils erzeugt und für den Resthub des Ventils diese hohe Verstellkraft wieder deutlich reduziert werden. Eine solche Öffnungscharakteristik ist besonders bei Gaswechselventilen in Verbrennungszylindern einer Brennkraftmaschine von erheblichem Vorteil; denn speziell auf der Auslaßseite der Verbrennungszylinder besteht die Forderung nach einer anfänglich hohen Öffnungskraft des Aktuators damit das Gaswechselventil gegen den Restgasdruck im Verbrennungszylinder öffnen kann. Wenn nach erfolgtem Druckausgleich zwischen Brennraum und Auslaßkanal nunmehr die Stellkraft für den weiteren Öffnungsvorgang des Ventils gesenkt wird, so wird die für den Öffnungsweg des Gaswechselventils benötigte Energie nennenswert reduziert. Insgesamt kann durch eine Optimierung der Änderung der öffnenden Wirkfläche an die jeweils bestehenden Forderungen innerhalb des Ventilhubs der Energiebedarf einer elektrohydraulischen Ventilsteuerung reduziert werden.

Des weiteren kann das den Öffnungsbeginn des Gaswechselventils und den Maximalhub des Gaswechselventils bestimmende Magnetventil für eine geringere Durchflußmenge ausgelegt werden. Dies liegt darin begründet, daß beim Einleiten des Öffnungsvorgangs des Ventils durch Schließen des zweiten Magnetventils zur Entlastungsleitung und Öffnen des ersten Magnetventils zur Druckversorgung zunächst in die zweite Druckkammer nur eine solche Fluidmenge einströmt, um in der zweiten Druckkammer den Druck ansteigen zu lassen. Sobald die aus Druck und öffnende Wirkfläche resultierende Öffnungskraft die vorhandenen Haftreibungskräfte überwindet, beginnt sich der Stellkolben in Richtung Öffnen des Gaswechselventils zu bewegen. Der sich aus der Vergrößerung des Kammer olumens in der zweiten Druckkammer ergebende Durchfluß durch das erste Magnetventil steigt dabei nicht sprunghaft, sondern stetig von Null auf einen Maximalwert. Die große öffnende Wirkfläche des Stellkolbens ist also zu einer Zeit wirksam, bei der der Durchfluß durch das offene erste Magnetventil seinen Maximalwert noch nicht erreicht hat. Die Reduzierung der öffnenden Wirkfläche setzt, rechtzeitig ein, um den maximalen Durchfluß durch das erste Magnetventil auf einem niedrigen Niveau zu begrenzen. Dieses Niveau ist kleiner als das Niveau, das sich bei über dem Hub konstanter öffnender Wirkfläche des Stellkolbens ergeben würde .

Auch der Schließvorgang des Ventils kann durch die erfindungsgemäße Ausbildung der schließenden Wirkfläche des Stellkolbens abhängig von dessen Verschiebeweg vorteilhaft beeinflußt werden, indem das Aufsetzen des Ventilglieds auf den Ventilsitz durch eine rechtzeitige Reduzierung der schließenden Wirkfläche des Stellkolbens im Verlauf der Kolbenverschiebung mit reduzierter Schließkraft erfolgt. Insbesondere für die Betätigung von Gaswechselventilen in VerbrennungsZylindern einer Brennkraftmaschine ist dieser Vorteil von besonderer Bedeutung; denn speziell auf der Einlaßseite der Verbrennungszylinder besteht die Forderung einerseits nach einem schnellen Schließen des Einlaßventils und andererseits nach einer geringen Auftreffgeschwindigkeit des Ventilglieds auf den verbrennungszylinderseitigen Ventilsitz, die aus Geräusch- und Verschleißgründen bestimmte Grenzwerte, z.B. ca. 0,5 m/s im Leerlauf und ca. 0,5 m/s bei maximaler Drehzahl, nicht überschreiten darf. Durch die erfindungsgemäße Reduzierung der schließenden Wirkfläche des Stellkolbens kurz vor Erreichen der Schließstellung des Gaswechselventils wird die Schließkraft des Aktuators abgeschwächt und somit 'ein erster Beitrag hin zur Einhaltung dieser Grenzwerte geleistet.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen hydraulisch gesteuerten Aktuators möglich . Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Ausbildung des Stellkolbens so vorgenommen, daß bei einer Verschiebung des Stellkolbens aus seiner Ventilstellung heraus sich die öffnende Wirkfläche des Stellkolbens nach mindestens einem vorgegebenen Verschiebeweg um einen vorgegebenen Betrag reduziert.

Dies wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch realisiert, daß der Stellkolben mehrteilig ausgeführt ist und aus mindestens zwei konzentrischen, relativ zueinander verschiebbaren Teilkolben mit unterschiedlichen axialen Längen besteht, die so ineinandergesetzt sind, daß die zweite Druckkammer von allen und die erste Druckkammer nur von einem Teil der Stirnflächen der Teilkolben begrenzt ist. Der Versσhiebeweg des mindestens einen nicht die erste Druckkammer begrenzenden Teilkolbens ist gegenüber dem Gesamtverschiebeweg des Stellkolbens reduziert, wobei bei mehr als zwei Teilkolben die Reduzierung stufenweise erfolgt.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Ausbildung des Stellkolbens so getroffen, daß bei der Verschiebung des Stellkolbens aus seiner Ventilschließstellung heraus die öffnende Wirkfläche im Anfangsbereich des Verschiebewegs größer ist als im übrigen Verschiebeweg und bei der Verschiebung des Stellkolbens aus seiner Ventiloffenstellung heraus die schließende Wirkfläche im Endbereich des Verschiebewegs kleiner ist als im übrigen Verschiebeweg . Diese Ausbildung der Stellkolbens wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dadurch realisiert, • daß der Stellkolben als Stufenkolben mit mehreren Kolbenabschnitten unterschiedlicher Durchmesser ausgebildet ist. Dabei hat der Stellkolben einen den größten Durchmesser aufweisenden mittleren Kolbenabschnitt, einen sich am mittleren Kolbenabschnitt fortsetzenden, die erste Druckkammer durchziehenden, unteren inneren Kolbenabschnitt mit demgegenüber kleinerem Durchmesser, einen sich vom mittleren Kolbenabschnitt fortsetzenden, die zweite Druckkammer durchziehenden, oberen inneren Kolbenabschnitt mit gegenüber dem Durchmesser des unteren inneren Kolbenabschnitts reduziertem Durchmesser und jeweils einen am Ende der inneren Kolbenabschnitte angeordneten äußeren Kolbenabschnitt, dessen Durchmesser jeweils größer ist als der Durchmesser des angrenzenden inneren Kolbenabschnitts.

Bei dieser Ausbildung des Stellkolbens wird nicht nur eine über den Verschiebeweg des Stellkolbens sich definiert ändernde öffnende und schließende Wirkfläche des Stellkolbens verwirklicht, sondern im Schließfall noch ein Sekundäreffekt erzielt, der zusätzlich zu der sich vor dem Ende der Schließbewegung reduzierenden schließenden Wirkfläche- des Stellkolbens zur Verringerung der Schließkraft beiträgt. Durch die beschriebene Durchmesserstufung der Kolbenabschnitte des Stellkolbens tritt kurz vor Ende der Schließbewegung eine Durchmesseränderung des Stellkolbens in der zweiten Druckkammer und damit eine Vergrößerung der die zweite Druckkammer begrenzenden Kolbenfläche auf. Diese bewirkt eine Erhöhung des ausfließenden Fluidstroms. Das zu diesem Zeitpunkt als konstante Drossel zur Entlastungsleitung hin wirkende geöffnete zweite Magnetventil setzt diesem erhöhten Fluidfluß einen erhöhten Staudruck entgegen, so daß zu der in der ersten Druckkammer in Schließrichtung wirkenden, kurz vor Ende der Schließbewegung sich reduzierenden Druckkraft sich schlagartig eine in Gegenrichtung wirkende Gegenkraft aufbaut, die den Stellkolben abbremst und so mit der reduzierten Schließkraft des Stellkolbens die vorstehend genannten Grenzwerte für die Auftreffgeschwindigkeit des Ventilglieds auf dem Ventilsitz erreichen läßt. Auf bisher verwendete besondere Vorrichtungen zur Verringerung der Auftreffgeschwindigkeit des Ventilglieds auf dem Ventilsitz des Gaswechselventils kann somit verzichtet werden.

Zeichnung

Die Erfindung Ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Steuerung eines Gaswechselventils mit einem im Längsschnitt dargestellten Aktuator zum Betätigen des ausschnittweise im Längsschnitt dargestellten Gaswechselventils,

Fig. 2 eine Längsschnitt eines Aktuators zur

Betätigung eines Gaswechselventils gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei der in Fig. 1 im Schaltbild dargestellten Vorrichtung zur Steuerung eines Gaswechselventils in einem Verbrennungszylinder einer Brennkraftmaschine steuert das Gaswechselventil 10 einen Öffnungsquerschnitt 12 in einem Verbrennungszylinder 11, der in Fig. 1 durch einen Abschnitt seiner Zylinderwand angedeutet ist. Das Gaswechselventil 10 kann als Einlaßventil zum Steuern eines Einlaßquerschnitts und als Auslaßventil zum Steuern eines Auslaßquerschnitts im Verbrennungszylinder 11 verwendet werden. Das Gaswechselventil 10 weist einen Ventilstößel 13 auf, an dessen einem Ende eine tellerförmige Ventildichtfläche 14 angeordnet ist, die zur Steuerung des Öffnungsquerschnitts 12 mit einer an der Zylinderwand des Verbrennungszylinders 11 ausgebildeten, den Öffnungsquerschnitt 12 umschließenden Ventilsitzfläche 15 zusammenwirkt. Zum Öffnen des Gaswechselventils 10 wird die Ventildichtfläche 14 durch Verschieben des Ventilstößels 13 mehr oder weniger von der Ventilsitzfläche 15 abgehoben, und zum Schließen des Gaswechselventils 10 wird die Ventildichtfläche 14 durch gegensinnige Verschiebung des Ventilstößels 13 fest auf die Ventilsitzfläche 15 aufgepreßt.

Zum Schließen und Öffnen des Gaswechselventils 10 ist ein hydraulisch gesteuerter Aktuator 16 vorgesehen, der einen Arbeitszylinder 17 und einen im Arbeitszylinder 17 axial verschieblich geführten Stellkolben 18 aufweist. Im Ausführungsbeispiel des Aktuators 16 in Fig. 1 wird der ArbeitsZylinder 17 durch eine in ein Gehäuse 19 eingebrachte Bohrung realisiert, in die eine Führungshülse 20 zur Führung des Stellkolbens 18 eingesetzt und die stirnseitig entsprechend abgedichtet ist. Der mit dem Ventilstößel 13 fest verbundene Stellkolben 18 unterteilt den Arbeitszylinder 17 in zwei von ihm auf voneinander abgekehrten Stirnseiten begrenzte, hydraulische Druckkammern 21, 22, wobei die untere erste Druckkammer 21 einen Anschlußstutzen 211 und die obere zweite Druckkammer 22 zwei Anschlußstutzen 221, 222 aufweist. Über die Anschlußstutzen 211, 221, 222 sind die beiden Druckkammern 21, 22 mit einem Fluid, z.B. Hydrauliköl, gefüllt. Hierzu ist der Anschlußstutzen 211 der ersten Druckkammer 21 über eine Druckleitung 23 und der Anschlußstutzen 221 der zweiten Druckkammer 22 über ein erstes Magnetventil 25 mit einer regelbaren Druckversorgungseinrichtung 24 verbunden, während der Anschlußstutzen 222 der zweiten Druckkammer 22 über ein zweites Magnetventil 26 an einer Entlastungsleitung 27 angeschlossen ist, die zu einem Fluidreservoir 28 führt. Die beiden Magnetventile 25, 26 sind als 2/2-Wegeventile mit Federrückstellung ausgebildet, die von einem hier nicht dargestellten elektronischen Steuergerät zu ihrer Umschaltung angesteuert werden. In der in Fig. 1 dargestellten Ruhe- oder .Grundstellung der beiden Magnetventile 25, 26 ist die zweite Druckkammer 22 von der Druckversorgungseinrichtung 24 abgetrennt und an die Entlastungsleitung 27 angeschlossen. Der in der zweiten Druckkammer 22 herrschende Fluiddruck entspricht in etwa dem Umgebungsdruck.

Die Druckversorgungseinrichtung 24 umfaßt eine regelbare Hochdruckpumpe 29, die Fluid aus dem Fluidreservoir 28 ansaugt, ein Rückschlagventil 30 und einen Speicher 31 zur Pulsationsdämpfung und Energiespeicherung. An dem Ausgang 241 der Druckversorgungseinrichtung 24, an dem sowohl die Druckleitung 23 als auch das erste Magnetventil 25 angeschlossen ist, steht ein permanenter Hochdruck an, der in die erste Druckkammer 21 eingesteuert ist.

Der Stellkolben 18 des Aktuators 16, der im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 als Stufenkolben 32 und in Fig. 2 als mehrteiliger Kolben ausgeführt ist, weist eine schließende Wirkfläche, die zum Schließen des Gaswechselventils 10, also zum Verschieben des Stellkolbens 18 in Ventilschließrichtung, vom Fluiddruck in den Druckkammern 21, 22 beaufschlagt wird, und eine öffnende Wirkfläche, die zum Öffnen des Gaswechselventils 10, also zum Verschieben des Stellkolbens 18 in Öffnungsrichtung des Gaswechselventils 10, vom Fluiddruck in den Druckkammern 21, 22 beaufschlagt ist.. Die beiden Wirkflächen setzen sich aus verschiedenen, am Stellkolben 18 ausgebildeten, vom Fluiddruck in den Druckkammern 21, 22 beaufschlagten Ringflächen zusammen, wie später noch beschrieben wird. Zur Erzielung einer definierten Kinematik des Aktuators 16 beim Öffnen und Schließen des Gaswechselventils 10, die bestimmten Forderungen an das Gaswechselventil 10 genügen muß, ist der Stellkolben 18 derart ausgebildet, daß die Flächengröße der Wirkflächen sich längs des Verschiebewegs des Stellkolbens 18 ändert, und zwar die Flächengröße der öffnenden Wirkfläche beim Verschieben des Stellkolbens 18 zur Erzeugung eines Öffnungshubs am Gaswechselventil 10 und die schließende Wirkfläche beim gegensinnigen Verschieben des Stellkolbens 18 zur Erzeugung einer Schließbewegung des Gaswechselventils 10. Diese für den Aktuator 16 bestehenden Forderungen ist einerseits eine hohe Öffnungskraft zu Beginn des Öffnungshubs, damit ein Druckausgleich zwischen Vorder- und Rückseite des Gaswechselventils 10 stattfinden kann, und andererseits eine deutliche Reduzierung der Verstellkraft nach diesem Bruchteil des Gesamthubs, damit der zum Verstellen des Gaswechselventils erforderliche Energieverbrauch reduziert wird. Des weiteren besteht die Forderung nach einem schnellen Schließen des Gaswechselventils 10, wobei die Auftreffgeschwindigkeit der Ventildichtfläche 14 auf der Ventilsitzfläche 15 aus Geräusch- und Verschleißgründen möglichst klein sein soll.

Diesen Forderungen wird dadurch Rechnung getragen, daß die Ausbildung des Stellkolbens 18 so getroffen ist, daß bei der Verschiebung des Stellkolbens 18 aus seiner Ventilschließstellung heraus, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, die öffnende Wirkfläche im Anfangsbereich des Verschiebewegs größer ist als im übrigen Verschiebeweg und bei der Verschiebung des Stellkolbens 18 aus seiner Ventiloffenstellung heraus die schließende Wirkfläche im Endbereich des Verschiebewegs kleiner ist als im übrigen Verschiebeweg. Diese Ausbildung des Stellkolbens 18 ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Stufenkolben 32 dadurch verwirklicht, daß am Stufenkolben 32 vorgesehen sind: ein den größten Durchmesser dl aufweisender mittlerer Kolbenabschnitt 321, jeweils ein am mittleren Kolbenabschnitt 321 nach oben und unten sich fortsetzender innerer Kolbenabschnitt, und zwar ein die erste Druckkammer 21 durchziehender, unterer innerer Kolbenabschnitt 322 mit gegenüber dem Durchmesser dl des mittleren Kolbenabschnitts 321 reduziertem Durchmesser d2 und ein die zweite Druckkammer 22 durchziehender, oberer innerer Kolbenabschnitt 323 mit einem gegenüber dem Durchmesser d2 des unteren inneren Kolbenabschnitts 321 reduzierten Durchmesser d3, sowie jeweils ein am Ende des unteren inneren Kolbenabschnitts 322 und des oberen inneren Kolbenabschnitts 323 sich anschließender äußerer Kolbenabschnitt 324 und 325 mit gegenüber dem angrenzenden inneren Kolbenabschnitt 322 bzw. 323 vergrößertem Durchmesser d4 bzw. d5. Zwischen den inneren und äußeren Kolbenabschnitten 321 und 322, 323 ist jeweils eine Übergangszone 326 und 327 vorhanden, in welcher der Durchmesser vom Durchmesser d2 bzw. d3 des angrenzenden inneren Kolbenabschnitts 322 bzw. 323 zu dem größeren Durchmesser d4 bzw. d5 der äußeren Kolbenabschnitte 324, 325 hin kontinuierlich zunimmt. Anstelle einer - wie in Fig. 1 dargestellt - linearen Zunahme des Durchmessers in den Übergangszonen 326, 327 kann auch eine andere geometrische Gestaltung der Übergangszone 326, 327 vorgenommen werden, um dadurch den hubabhängigen Verlauf der öffnenden und schließenden Wirkfläche zu beeinflussen.

Bei der beschriebenen Ausführung des Stufenkolbens 32 ergibt sich bei der Hubbewegung des Stufenkolbens 32 aus seiner in Fig. 1 dargestellten Schließstellung heraus die öffnende Wirkfläche am Öffnungsanfang aus der Differenz der beiden Ringflächen mit der Ringbreite dl - d3 und der Ringfläche mit der Ringbreite dl - d4. Die öffnende Wirkfläche ist also die resultierende Ringfläche mit der Ringbreite d4 - d3 am Stufenkolben 32. Hat sich nach einem anfänglichen Hub der Stufenkolben 32 soweit verschoben, daß der untere äußere Kolbenabschnitt 324 bzw. die daran angrenzende Übergangszone

326 aus der ersten Druckkammer 21 ausgeschoben ist und der obere äußere Kolbenabschnitt 325 bzw. die obere übergangszone

327 in die erste Druckkammer 22 eintaucht, so wird die öffnende Wirkfläche aus der Differenz der Ringfläche mit der Ringbreite dl - d5 und der Ringfläche mit der Ringbreite dl - d2 gebildet. Die öffnende Wirkfläche ist also die resultierende Ringfläche mit der Ringbreite d2 - d5 am Stufenkolben 32, die bis zum Ende des Öffnungshubs unverändert bleibt. Da die Ringbreite d4 - d3 größer ist als die Ringbreite d2 - d5 wird die öffnende Wirkfläche nach einem Bruchteil des Gesamthubs des Stufenkolbens 32 wesentlich reduziert.

Beim Schließvorgang des Gaswechselventils 10, bei dem sich der Stufenkolben 32 zurück in seine in Fig. 1 dargestellte Ventilschließstellung bewegt, wird die schließende Wirkfläche am Anfang des Schließhubs von der Ringfläche am Stufenkolben 32 mit der Ringbreite dl - d2 gebildet. Vor Ende des Schließhubs taucht die untere Übergangszone 326 und nachfolgen der äußere Kolbenabschnitt 324 in die erste Druckkammer 21 ein, wodurch sich die schließende Wirkfläche auf die Ringfläche mit der Ringbreite dl - d4 reduziert. Die Schließbewegung des Stufenkobens 32 erfolgt somit zunächst mit großer Schließkraft, infolge der größeren schließenden Wirkfläche, und im Endbereich des Schließhubs mit reduzierter Schließkraft, infolge der reduzierten schließenden Wirkfläche. Die Abdichtung der Druckkammern 21, 22 gegenüber dem Stufenkolben 32 erfolgt jeweils mittels einer Hochdruckdichtung 33 bzw. 34, die im Arbeitszylinder 17 gehalten ist und sich an den Stufenkolben 32 anpreßt. Die Hochdruckdichtung 34 der zweiten Druckkammer 22 ist dabei in einem Deckel 35 integriert, der den Arbeitszylinder 17 nach oben hin abschließt. Beim Schließvorgang wird noch ein Sekundäreffekt dadurch erzielt, daß in der zweiten Druckkammer 22 kurz vor Schließende durch Austauchen der Kolbenabschnitte 325 und 327 der Durchmesser des Stellkolbens 32 in der zweiten Druckkammer 22 sich ändert und damit die die zweite Druckkammer 22 begrenzende Stellkolbenfläche sich vergrößert. Dadurch vergrößert sich das Verdrängungsvolumen für den Stellkolben 32 in der zweiten Druckkammer 22, was infolge der Drosselung des Verdrängungsvolumens in dem geöffneten zweiten Magnetventil 26 zu einem schlagartigen Anstieg der der Schließbewegung des Stellkolbens^' 22 entgegenwirkenden Gegenkraft führt. Diese Gegenkraft bewirkt ein Abbremsen des Stellkolbens 22 und zusammen mit der reduzierten Schließkraft des Stellkolbens 22 eine deutlich reduzierte Auftreffgeschwindigkeit des Ventilstößels 13 auf der Ventilsitzfläche 14 des Gaswechselventils 10.

Der in Fig. 2 im Längsschnitt schematisch dargestellte Aktuator 16 ist gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten und vorstehend beschriebenen Aktuator 16 insofern modifiziert, als die Ausbildung des Stellkolbens 18 so vorgenommen ist, daß bei einer Verschiebung des Stellkolbens 18 aus seiner Ventilschließstellung heraus, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, sich die öffnende Wirkfläche nach mindestens einem vorgegebenen Verschiebeweg um einen vorgegebenen Betrag reduziert und bis zum Hubende konstant bleibt, die schließende Wirkfläche dagegen bei der Verschiebung des Stellkolbens 18 in seine Ventilschließstellung, also über den gesamten Schließhub, konstant bleibt. Das Gaswechselventil 10 wird also mit großer Verschiebekraft schnell geöffnet/r die dann schlagartig abfällt und über den Resthub konstant bleibt. Der Aktuator 16 gemäß Fig. 2 kann anstelle des Aktuators 16 in Fig. 1 in die dort beschriebene Vorrichtung zur Steuerung eines Gaswechselventils 10 im

Verbrennungszylinder 11 einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, wobei die Anschlüsse der Anschlußstutzen 211, 221 und 222 des Arbeitszylinders 17 wie in Fig. 1 dargestellt in die Steuerungsvorrichtung eingebunden werden. Bauteile des Aktuators 16 in Fig. 2, die mit Bauteilen des Aktuators 16 in Fig. 1 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß insoweit die zu Fig. 1 gemachten Ausführungen auch bei dem Aktuator 16 gemäß Fig. 2 entsprechend zutreffen.

Die vorerwähnte, modifizierte Ausbildung des Stellkolbens 18 mit der hubabhängigen Veränderung der öffnenden Wirkfläche wird dadurch erreicht, daß der Stellkolben 18 mehrteilig ausgebildet ist und im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zwei Teilkolben 36 und 37 aufweist. Die beiden Teilkolben 36, 37 weisen unterschiedliche axiale Längen auf und sind konzentrisch und relativ zueinander verschiebbar so ineinandergesetzt , daß beide Teilkolben 36, 37 die zweite Druckkammer 22 begrenzen und nur der innere Teilkolben 36 die erste Druckkammer 21 begrenzt. Der Arbeitszylinder 17 ist stufig ausgebildet, wobei der obere Zylinderabschnitt 172 mit größerem Durchmesser beide Teilkolben 36, 37 aufnimmt und der untere Zylinderabschnitt 171 des Arbeitszylinders 17 nur den inneren Teilkolben 36 führt. Der kürzere äußere Teilkolben 37 ist im oberen Abschnitt 172 des Arbeitszylinders 17 einerseits vom Arbeitszylinder 17 und andererseits von einem am inneren Teilkolben 36 ausgebildeten Führungsabschnitt 361 mit etwas vergrößertem Durchmesser geführt, während der längere innere Teilkolben 36 im unteren Zylinderabschnitt 171 des Arbeitszylinders geführt ist. Durch einen von der Zylinderwand des Arbeitszylinders 17 gebildeten Anschlag 38 wird der Verschiebeweg des äußeren Teilkolbens 37 auf den Verschiebeweg Si begrenzt, während der Verschiebeweg des längeren inneren Teilkolbens 36 dem Gesamthub Si + s₂ des Stellkolbens 18 entspricht. Der innere Teilkolben 36 ist entweder einstückig mit einer Kolbenstange 39 ausgeführt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, oder ist als Ringkörper auf die Kolbenstange 39 aufgepreßt. Die Kolbenstange 39 tritt über abgedichtete Öffnungen 40, 41 aus dem Arbeitszylinder 17 aus. An der Kolbenstange 39 ist der Ventilstößel 13 festgelegt. Alternativ kann die Kolbenstange 39 vom Ventilstößel 13 selbst gebildet werden.

Bei der Verschiebung des Stellkolbens 18 aus seiner in Fig. 2 dargestellten Ventilschließstellung heraus in Ventilöffnungsrichtung, was durch Einsteuern von Fluiddruck in die zweite Druckkammer 22 bewirkt wird, werden beide Teilkolben 36, 37 vom Druck in der zweiten Druckkammer 22 beaufschlagt und zusammen verschoben. Die öffnende Wirkfläche des Stellkolbens 18 setzt sich aus den die zweite Druckkammer 22 begrenzenden, beiden ringförmigen Stirnflächen der beiden Teilkolben 36, 37 zusammen und ist maximal. Hat der Stellkolben 18 den Hubweg 3χ zurückgelegt, so stößt der äußere Teilkolben 37 an dem Anschlag 38 an und nimmt an der weiteren Verschiebebewegung des Stellkolbens 18 nicht mehr teil. Die öffnende Wirkfläche des Stellkolbens 18 ist damit auf die vom Fluiddruck beaufschlagte Stirnfläche des inneren Teilkolbens 36 reduziert, so daß die Stellkraft des Aktuators 16 verkleinert wird und der Energiebedarf des Aktuators 16 bei der weiteren Öffnung des Gaswechselventils 10 sinkt.

Wird nach Erreichen der Öffnungsstellung des Gaswechselventils 10 der Schließvorgang durch Entlasten der ersten Druckkammer 22 eingeleitet, so wird nach Zurücklegen des Verschiebewegs s₂ durch den inneren Teilkolben 36 ein Mitnehmer 42 zwischen den beiden Teilkolben 36, 37 wirksam, und der äußere Teilkolben 37 wird über den Verschiebeweg Si vom inneren Teilkolben 36 bis in die Schließstellung des Stellkolbens 18 mitgenommen. Der Mitnehmer 42 ist durch einen an der Innenseite des äußeren Teilkolbens 37 radial vorspringenden Ringsteg 43 realisiert, an dem der im Durchmesser vergrößerte Führungsabschnitt 361 des inneren Teilkolbens 36 anschlägt. Um das Abführen von Fluid, das zwischen den beiden Teilkolben 36, 37 hindurchtritt, aus dem oberen Abschnitt 172 des Arbeitszylinders 17 sicherzustellen, ist am Übergang zwischen den beiden Abschnitten 172, 171 des Arbeitszylinders 17 eine im oberen Abschnitt 172 des Arbeitszylinders 17 mündende Leckagebohrung 44 in der Gehäusewand des Arbeitszylinders 17 vorgesehen, über die die Fluidleckage durch eine Rückführleitung 45 wieder dem Fluidreservoir 28 zugeführt wird. In Weiterbildung des beschriebenen Stellkolbens 18 kann dieser auch aus mehr als nur zwei Teilkolben zusammengesetzt werden. Die einzelnen Teilkolben haben dann wiederum verschiedene Längen und werden durch entsprechende Festlegung ihrer Hubwege bei der weiteren Verschiebung des Stellkolbens 18 wirkungslos, so daß die öffnende Wirkfläche des Stellkolbens 18 sich über dessen Gesamthub mehrmals ändert.

Claims

Ansprüche

1. Hydraulisch gesteuerter Aktuator zur Betätigung eines Ventils, insbesondere eines Gaswechselventils in einem Verbrennungszylinder einer Brennkraftmaschine, mit zwei fluidgefüllten Druckkammern^' (21, 22), deren Kammervolumen steuerbar ist, und mit einem auf das Ventil (10) wirkenden, aus einer Ventilschließstellung in eine Ventiloffenstellung und umgekehrt verschiebbaren Stellkolben (18), der mit voneinander abgekehrten Kolbenseiten die Druckkammern (21, 22) begrenzt und eine zum Schließen des Ventils (10) vom Fluiddruck in den Druckkammern (21,.22) beaufschlagte schließende Wirkfläche und eine zum Öffnen des Ventils (10) vom Fluiddruck in den Druckkammern (21, 22) beaufschlagte öffnende Wirkfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (18) derart ausgebildet ist, daß die Flächengröße mindestens einer der beiden Wirkflächen sich längs des Verschiebewegs des Stellkolbens (18) ändert.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Stellkolben (18) in einer das Ventilschließen bewirkenden Verschieberichtung mit Fluiddruck beaufschlagende erste Druckkammer (21) permanent mit einem unter Druck stehenden Fluid gefüllt ist und die den Stellkolben (18) in einer das Ventilöffnen bewirkenden Verschieberichtung mit Fluiddruck beaufschlagende zweite Druckkammer (22) wechselweise mit unter Druck stehendem Fluid füllbar und wieder entlastbar ist.

3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung des Stellkolbens (18) so vorgenommen ist, daß bei einer Verschiebung des Stellkolbens (18) aus seiner Ventilschließstellung heraus sich die öffnende Wirkfläche nach mindestens einem vorgegebenen Verschiebeweg um einen vorgegebenen Betrag reduziert.

4. Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (18) mehrteilig ist und aus konzentrischen, relativ zueinander verschiebbaren Teilkolben (36, 37) mit unterschiedlichen axialen Längen besteht, die so ineinander gesetzt sind, daß die zweite Druckkammer (22) von allen und die erste Druckkammer (21) nur von einem Teil der Teilkolben (36, 37) begrenzt ist, und daß die Verschiebewege der nicht die erste Druckkammer (21) begrenzenden Teilkolben (37) stufenweise gegenüber dem Gesamtverschiebeweg des Stellkolbens (18) reduziert sind.

5. A.ktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet _r daß im Verschiebeweg der Teilkolben (37) jeweils ein den Verschiebeweg blockierender Anschlag (38) angeordnet ist, an dem der zugeordnete Teilkolben (37) nach Zurücklegen seines reduzierten Verschiebewegs (sl) anschlägt.

6. Aktuator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilkolben (36, 37) Mitnehmer (42) vorhanden sind, die bei der Verschiebung des Stellkolbens (18) aus seiner Ventiloffenstellung in seine Ventilschließstellung wirksam sind.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aus zwei Teilkolben (36, 37) zusammengesetzten Stellkolben (18) der äußere Teilkolben (37) die kleinere axiale Länge aufweist und daß der innere Teilkolben (36) in einem durchmesserkleineren Abschnitt (171) eines Arbeitszylinders (17) und der äußere Teilkolben (37) auf dem inneren Teilkolben (36) und in einem durchmessergrößeren Abschnitt (172) eines Arbeitszylinders (17) geführt ist.

8. Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Übergang des durchmessergrößeren Abschnitts (172) zum durchmesserkleineren Abschnitt (171) des Arbeitszylinders (17) eine im durchmessergrößeren Abschnitt (172) mündende Leckagebohrung (44) in den Arbeitszylinder (17) eingebracht ist.

9. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung des Stellkolbens (18) so getroffen ist, daß bei der Verschiebung des Stellkolbens (18) aus seiner Ventilschließstellung heraus die öffnende Wirkfläche im Anfangsbereich des Verschiebewegs größer ist als im folgenden Verschiebeweg und bei Verschiebung des Stellkolbens (18) aus seiner Ventiloffenstellung heraus die schließende Wirkfläche im Endbereich des Verschiebewegs kleiner ist als im vorangegangenen Verschiebeweg .

10. A.ktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (18) als Stufenkolben (32) mit mehreren Kolbenabschnitten (321 - 325) unterschiedlichen Durchmessers (dl - d5) ausgebildet ist.

11. Aktuator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (18) einen den größten Durchmesser (dl) aufweisenden mittleren Kolbenabschnitt (321), einen sich am mittleren Kolbenabschnitt (321) fortsetzenden, die erste Druckkammer (21) durchziehenden, unteren inneren ^•Kolbenabschnitt (322) mit demgegenüber kleinerem Durchmesser (d2), einen sich vom mittleren Kolbenabschnitt (321) fortsetzenden, die zweite Druckkammer (22) durchziehenden, oberen inneren Kolbenabschnitt (323) mit gegenüber dem Durchmesser (d2) des unteren inneren Kolbenabschnitts (322) reduziertem Durchmesser (d3) und jeweils einen am Ende der inneren Kolbenabschnitte (322, 323) angeordneten äußeren Kolbenabschnitt (324 bzw. 325) aufweist, dessen Durchmesser (d4 bzw. d5) größer ist als der Durchmesser

(d2 bzw. d3) des angrenzenden inneren Kolbenabschnitts

(322 bzw. 323) .

12. Aktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Kolbenabschnitte (324, 325) so am Stellkolben (18) angeordnet sind, daß mit Beginn der Verschiebung des Stellkolbens (18) aus seiner Ventilschließstellung heraus der untere äußere Kolbenabschnitt (324) aus der ersten Druckkammer (21) zunehmend austritt und nach einem festgesetzten Verschiebeweg der obere äußere Kolbenabschnitt (327) in die zweite Druckkammer (22) zunehmend eintaucht und daß gegen Ende der Verschiebung des Stellkolbens (18) aus seiner Ventiloffenstellung heraus der untere äußere Kolbenabschnitt (324) in die erste Druckkammer (21) zunehmend eintaucht.

13. Aktuator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Stellkolben (18) zwischen jedem äußeren und inneren Kolbenabschnitt (324, 322 bzw. 323, 325) eine Übergangszone (326 bzw. 327) vorgesehen ist, deren Durchmesser linear oder einer anderen Gesetzmäßigkeit folgend von dem Durchmesser (d2 bzw. d3) des inneren Kolbenabschnitts (322 bzw. 323) zu dem Durchmesser (d4 bzw. d5) des äußeren Kolbenabschnitts

(324, 325) stetig anwächst.

14. Aktuator nach einem der Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (18) mit seinem mittleren Kolbenabschnitt (321) in einem die Druckkammern (21, 22) ausbildenden Arbeitszylinder (17) axial verschieblich geführt ist und daß im Austauchbereich des Stellkolbens (18) aus den beiden Druckkammern (21, 22) der Stellkolben (18) durch jeweils eine im Arbeitszylinder (17) festgelegte, sich an den Stellkolben (18) anpressende Hochdruckdichtung (33, 34) hindurchgeführt ist.